狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐平面布置原則探討

普曉剛，李 民，郝媛媛，馮小香

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津 300456;2.湖南湘江航運(yùn)建設(shè)開發(fā)有限公司，長沙 410011)

在建設(shè)現(xiàn)代化的內(nèi)河航道網(wǎng)中，河流渠化是增加航道水深，改善航行條件最有效的工程措施之一。渠化工程的主要特點(diǎn)在于攔河筑壩，使壩上游水位變高，增加航道水深，減小流速，從根本上改善了水流狀態(tài)和航行條件。我國西部地區(qū)地域遼闊，內(nèi)河眾多，水量充沛，有著發(fā)展水運(yùn)的優(yōu)越自然條件。但是，由于西部通航河流屬于典型的山區(qū)彎曲型河道，河床斷面狹窄，平面形態(tài)彎曲，通航條件復(fù)雜，在梯級渠化樞紐建設(shè)中，因受河勢、地形及梯級水位銜接等因素影響，難以選擇到理想的河道順直、河面寬闊的壩址河段，不得已建在平面彎曲、河面狹窄河段，湘江土谷塘航電樞紐便是典型工程實例。通過對依托工程不同平面布置方案的研究，結(jié)合其它已建或擬建的相關(guān)樞紐工程，對狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置應(yīng)遵循的一些原則進(jìn)行了探討［1－4］。

1 依托工程概況

土谷塘航電樞紐位于湘江中游，是湘江梯級渠化中自下而上的第4個梯級樞紐，位于已建的近尾洲和大源渡航電樞紐之間。由于受下游大源渡航電樞紐回水、河道左岸特殊建筑的限制，壩軸線位于狹窄連續(xù)彎道河段(圖1)。壩區(qū)河段平面形態(tài)呈不對稱“S”形，上游段為接近90°的急彎，下游段為稍緩的反向彎道。壩線上游1～3 km為急彎卡口河段，卡口段最窄處河寬僅約270 m，且右岸為坡度較陡的山地;壩線及壩線下游位于下游反向彎道河段，左側(cè)為凹岸，右側(cè)為凸岸，壩軸線位于彎道彎頂附近，壩線處河道寬約480 m，左側(cè)河床為主河道［5－6］。

圖1 土谷塘航電樞紐壩區(qū)河勢圖Fig.1 River regime of the dam area of Tugutang navigation-power junction

土谷塘航電樞紐以通航為主，兼有發(fā)電、灌溉、改善濱水景觀等綜合效益。主要建筑物包括3臺機(jī)組、1孔排污閘、17孔泄水閘及1 000 t級船閘。土谷塘樞紐工程為低水頭徑流式電站、泄水閘式閘壩、槽蓄型水庫。永久性主要水工建筑物設(shè)計洪水為50年一遇、校核洪水為500年一遇。

泄水閘共設(shè)17孔，單孔寬20 m，總凈寬為340 m。船閘軸線與壩軸線垂直，船閘等級為Ⅲ級，設(shè)計最大通航流量為13 500 m3/s(10年一遇)，閘室有效尺度180 m×23 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)船隊為一頂2艘1 000 t級船隊。電站廠房為河床式，電站總裝機(jī)容量80 MW，共3臺單機(jī)26.67 MW的燈泡貫流式機(jī)組，年均發(fā)電量3.3×108kW·h，額定水頭5.8 m，最小運(yùn)行水頭3 m，單機(jī)引流量446 m3/s。

2 依托樞紐工程平面布置方案優(yōu)化

鑒于土谷塘樞紐壩址所處的特殊河勢，設(shè)計單位提出了2種平面布置方案，即船閘位于彎道凹岸(上游為凸岸)側(cè)的左岸船閘方案和船閘位于彎道凸岸(上游為凹岸)側(cè)的右岸船閘方案。

2.1 模型概況

模型為定床正態(tài)模型，比尺為100，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，流速比尺 λv=10，糙率比尺 λn=2.15，流量比尺λQ=105。模擬原型河道長度約為8 km，其中壩址上游長約4.6 km，壩址下游長約3.4 km，寬度為400～800 m不等。因此模型全長約為80 m，模型寬4.0 ～5.0 m不等。

2.2 左岸船閘方案

左岸船閘設(shè)計方案各建筑物布置從左至右依次為船閘、17孔泄水閘、1孔排污閘、電站(3臺機(jī)組)。由于船閘位于連續(xù)彎道中下游反向彎道河段的凹(左)岸側(cè)，為保證船閘引航道直線段的長度，船閘只能布置在靠近左岸側(cè)的河道內(nèi)，并占據(jù)原有一部分河寬。引航道平面布置形式為不對稱型，船舶采用曲進(jìn)直出方式進(jìn)出船閘，上、下游引航道導(dǎo)流堤均為直立堤，長度均為450 m;上、下游引航道底寬均為45 m。

左岸船閘設(shè)計方案研究結(jié)果表明:樞紐泄流能力能夠滿足要求;船閘上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件雖能夠滿足規(guī)范限值要求，但由于口門區(qū)航線為彎曲航道，且口門寬度僅為45 m。船模航行試驗結(jié)果表明:船舶(隊)進(jìn)出引航道時易碰撞堤頭，存在一定的安全隱患。針對上游引航道口門區(qū)存在的通航安全問題，優(yōu)化方案是保持船閘上游引航道450 m長度不變，將靠船段引航道底寬由45 m加寬至60 m(圖2)。上游引航道口門區(qū)及連接段寬度為60 m，受彎道河勢及左岸地貌影響，出口門100 m即接弧長524 m、半徑為1 000 m圓弧段，而后通過直線段與上游彎道相連。為改善船閘下游引航道口門區(qū)及連接段的通航水流條件，將電站下游右側(cè)凸岸進(jìn)行歸順，并將下游引航道長度由450 m延長至950 m，由450 m的直線段與半徑為1 000 m的圓弧段組成，引航道底寬由設(shè)計方案的45 m加寬至60 m。船閘下游引航道口門區(qū)及連接段均為直線段。

2.3 右岸船閘方案

右岸船閘設(shè)計方案各建筑物布置從左至右依次為電站(3臺機(jī)組)、1孔排污閘、17孔泄水閘及船閘。船閘布置在右岸臺地上，船閘中心線與壩軸線垂直。船閘引航道布置型式為不對稱型，船舶采用曲進(jìn)直出方式進(jìn)出船閘，上、下游引航道導(dǎo)流堤均為斜坡實體式，長度均為650 m;上、下游引航道底寬均為45 m，口門底寬分別為70 m，80 m。

右岸船閘設(shè)計方案試驗研究結(jié)果表明:樞紐泄流能力能夠滿足要求;船閘上、下游引航道口門區(qū)通航水流條件、船舶航行條件存在一定問題。在洪水流量條件下，因上游右岸突嘴挑流及引航道內(nèi)靜水頂托，使口門區(qū)內(nèi)左向斜流與航線夾角偏大，進(jìn)而使口門區(qū)航道內(nèi)左向橫流較大，通航水流條件不能滿足規(guī)范要求;過下游導(dǎo)流堤束窄河段后過流斷面變寬，水流向右擴(kuò)散，下游口門區(qū)內(nèi)右向橫流偏大，通航水流條件不能滿足要求。

為消除上游右岸突嘴挑流對上游引航道口門區(qū)通航水流條件造成的不利影響，將右岸山體突嘴部分進(jìn)行切除，為順應(yīng)切除后的右岸河勢及水流，將口門區(qū)航道向右岸進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整(圖3);為改善船閘下游引航道口門區(qū)的通航水流條件，在堤頭下游口門區(qū)航道的左側(cè)布置4個導(dǎo)流墩，導(dǎo)流墩為楔形，斜角 45°，每個導(dǎo)墩長 22 m、厚 3 m、頂高程為63.0 m，第1個導(dǎo)流墩與堤頭的間距為15 m，導(dǎo)墩與導(dǎo)墩的間距為22 m。

圖2 左岸船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.2 Optimized layout of the shiplock on the left bank

3 不同方案綜合對比分析

主要從樞紐泄流能力、船閘通航水流及船舶航行條件等多方面，對右岸船閘方案與左岸船閘方案進(jìn)行綜合對比，進(jìn)而確定依托工程土谷塘航電樞紐平面布置的推薦方案。

3.1 樞紐泄流能力的比較

圖3 右岸船閘優(yōu)化方案布置圖Fig.3 Optimized layout of the shiplock on the right bank

兩方案樞紐上游壅水高度均滿足不大于0.3 m的要求。由于左岸船閘及上下游引航道均位于原左岸側(cè)河道內(nèi)，占據(jù)一定河寬，尤其是下游引航道導(dǎo)流堤較長，對樞紐的泄流產(chǎn)生的一定的影響，使得左岸船閘方案樞紐上游壅水值稍高于右岸船閘方案，泄流能力稍弱，500年一遇洪水流量下左、右岸船閘方案最大壅水值分別為0.25 m，0.22 m。

3.2 船閘通航水流及船舶航行條件比較

兩方案船閘上游引航道口門區(qū)、下游引航道口門區(qū)及連接段通航水流條件均能基本滿足要求;洪水流量下船閘上游引航道口門外連接段及急彎河段存在縱向流速、橫向流速稍大段。彎道段通航條件的優(yōu)劣應(yīng)主要依據(jù)船模航行試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

在左岸船閘方案中，船隊受掃彎水的影響只能緊靠凸岸下行才能順利進(jìn)入口門，上行船隊為避開下行船隊只能沿主流或主流右側(cè)航行，即上行船走大彎，下行船走小彎。在右岸船閘方案中，上游引航道口門區(qū)及連接段布置在彎道的凹岸下游，基本在上游河段的主流區(qū)，通過對右側(cè)岸線歸順，船隊略靠右岸一側(cè)下行進(jìn)入口門比較順利，上行船隊出口門區(qū)后選擇走緩流一側(cè)，同時可以避讓下行船舶(隊)，即上行船走小彎，下行船走大彎。綜合對比分析，右船方案航行過程中舵角和漂角比左船方案要小，且右船方案的航行方式更符合內(nèi)河避碰規(guī)則的要求，船舶航行會更安全。

3.3 其它方面對比

《渠化工程樞紐總體設(shè)計規(guī)范》［7］要求:“根據(jù)航運(yùn)遠(yuǎn)期發(fā)展預(yù)留具備建設(shè)條件的二線或多線通航建筑物位置”。就左岸船閘方案而言，預(yù)留二線船閘需布置于一線船閘的左側(cè)，受左側(cè)凹岸河勢影響，船閘引航道直線段長度較難滿足要求，上、下游引航道口門區(qū)及連接段彎曲半徑將進(jìn)一步減小，不利于船舶順利進(jìn)出船閘;就右岸船閘方案而言，預(yù)留二線船閘可以布置于一線船閘右側(cè)，由于右岸為河道的凸岸，船閘引航道直線段長度較易滿足，且上、下游引航道口門區(qū)及連接段彎曲半徑可適當(dāng)增加，有利于船舶順利進(jìn)出船閘。

就船閘上游航道穩(wěn)定性而言，左岸船閘方案上游引航道口門區(qū)、連接段及彎道段航道位于上游急彎河段凸岸側(cè)及凸岸下游緩流區(qū)內(nèi)，較易產(chǎn)生泥沙淤積，不利于航道的穩(wěn)定;右岸船閘方案上游航道位于急彎段中部及靠近凹岸側(cè)下游附近的主流區(qū)內(nèi)，航道相對較穩(wěn)定。就船閘下游航道穩(wěn)定性而言，左岸船閘方案與右岸船閘方案下游引航道口門區(qū)及連接段分別位于下游反向彎道出口段的凹岸側(cè)與凸岸側(cè)，左岸船閘方案航道穩(wěn)定性要優(yōu)于右岸船閘方案［8］。

3.4 推薦樞紐布置方案

通過以上各方面的綜合對比分析，可以看出:右岸船閘方案的樞紐泄流能力、上游彎道段船舶航行條件、船閘上游航道穩(wěn)定性、預(yù)留二線船閘布置條件等均優(yōu)于左岸船閘方案。綜合對比各方面因素后，推薦右岸船閘方案為土谷塘航電樞紐平面布置方案。

4 狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置原則探討

天然河流幾乎都是彎曲的，彎道可以看成是組成河流的最基本單元，多彎相連的河道一般稱之為連續(xù)彎道，兩彎之間的連接部分稱之為過渡段。在山區(qū)或半山區(qū)河流連續(xù)彎道是常見的平面形態(tài)，由于河流的迂回曲折，兩彎道之間的順直過渡段相對甚短，一般將樞紐布置在單個彎道上或連續(xù)彎道之間相對順直的過渡段上;這類樞紐較多，如三峽水利樞紐、葛洲壩水利樞紐等，而將樞紐布置在過渡段較短或無過渡段的連續(xù)彎道上樞紐還不多見。結(jié)合國內(nèi)其它將壩線布置在彎道段的已建或擬建的樞紐布置情況，總結(jié)狹窄連續(xù)彎道河段樞紐平面布置應(yīng)遵循的一些原則，供其它相關(guān)樞紐工程參考。

4.1 彎道河段已建或擬建樞紐平面布置情況分析

《渠化工程樞紐總體設(shè)計規(guī)范》關(guān)于樞紐總體布置有如下規(guī)定:“根據(jù)具體條件樞紐總體布置可采用集中布置或分散布置方式。集中布置時，通航建筑物與水電站宜異岸布置，通航建筑物宜布置在主航道一側(cè)”。建在彎道河段上的航電樞紐，河流主航道一般在凹岸，但受河勢影響或與電站分開設(shè)置，實際工程中通航建筑物布設(shè)在彎道的凸岸或凹岸的情況均有。如葛洲壩樞紐工程所在河道呈S形彎曲，壩址處在南津關(guān)急彎和鎮(zhèn)川微彎河段之間的過渡段，大江船閘布置在南津關(guān)90°急彎后凸岸，三江2號和3號船閘處在南津關(guān)90°急彎后的凹岸。根據(jù)國內(nèi)壩線位于彎道河段的已建或擬建的20個樞紐布置情況統(tǒng)計(見表1)可知，通航建筑物布置在凸岸與凹岸的情況基本各占一半［9］。

表1 壩線位于彎道河段已建或擬建樞紐總體布置情況Table 1 Layout of built or planned-to-be-built hydro-junctions with dam axis located at river bend

由于樞紐工程所處的河道平面形態(tài)千差萬別，規(guī)范還不能涵蓋各類具體工程的技術(shù)特點(diǎn)。因此，目前國內(nèi)的普遍做法，是針對某一具體工程的特點(diǎn)，通過物理模型試驗進(jìn)行優(yōu)化，最終確定樞紐平面布置。

4.2 狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐平面布置原則

通過對依托工程船閘分別位于左岸及右岸2種平面布置方案的試驗研究，結(jié)合其它已建或擬建的相關(guān)樞紐工程平面布置情況，認(rèn)為狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐平面布置應(yīng)遵循以下一些原則:

(1)無通航要求的樞紐壩址選擇著重于壩線的選擇和布置，即河流的橫斷面選擇及沿斷面上的布置，而以改善航運(yùn)和發(fā)電為主的渠化樞紐工程則在同樣選擇河流橫斷面的前提下，還要考慮平行于河流的通航建筑物及其引航道的軸線布置，其難度就在于這條軸線是由幾條直線和幾條曲線連接起來的長達(dá)數(shù)百米至一兩千米的軸線，同時還要考慮樞紐運(yùn)行時上下游水流對船舶航行的影響，因而這個特點(diǎn)在很大程度上影響了渠化工程樞紐壩址選擇和樞紐的平面布置。

(2)當(dāng)船閘布置于狹窄連續(xù)彎道河段下游反向彎道的凹岸側(cè)時，在滿足樞紐泄流能力的條件下，為確保船閘引航道直線段長度滿足要求，船閘可考慮布置于靠近凹岸側(cè)的河道內(nèi)。對于出船閘引航道口門即為圓弧段或以較短的直線段與圓弧段相連的口門區(qū)布置形式，為確保船舶安全進(jìn)出船閘，應(yīng)盡可能增大曲率半徑及航寬。此外，可考慮順應(yīng)彎曲河段河勢，通過延長船閘引航道導(dǎo)流堤長度，使彎曲段處于引航道內(nèi)，口門區(qū)為直線段，確保口門區(qū)的水流條件滿足要求。

(3)當(dāng)船閘布置于狹窄連續(xù)彎道河段下游反向彎道的凸岸側(cè)時，為確保船閘引航道直線段長度滿足要求，可利用凸岸側(cè)臺地新開挖渠道進(jìn)行船閘布置，并歸順上、下游岸線，使引航道進(jìn)、出口段與河岸走勢平順銜接，盡量減小口門區(qū)航道軸線與上下游主河道的夾角。此外，通過在導(dǎo)流堤下游布置楔形導(dǎo)流墩，能夠有效地消減彎曲河道段口門區(qū)內(nèi)因水流擴(kuò)散形成的斜流及回流，是較理想的導(dǎo)流建筑。

(4)對于上游為急彎、下游為反向彎道的狹窄連續(xù)彎道河段，當(dāng)樞紐壩線位于下游彎道段時，宜采取將船閘布置于凸岸側(cè)的分散布置方式，這也符合《渠化工程樞紐總體設(shè)計規(guī)范》的要求。

(5)在條件允許的情況下，應(yīng)盡量將壩軸線向彎道段的下游平移，以增加船閘上游引航道口門與上游急彎河段出口的距離，確保船舶下行時有足夠的時間調(diào)整船位進(jìn)入引航道。

5 結(jié)語

(1)對于以改善航運(yùn)和發(fā)電為主的渠化樞紐工程，在總體布置時，主要做好2條線的布置，即壩軸線與船閘軸線的布置，在壩軸線確定后進(jìn)行船閘軸線布置時要處理好上下游引航道、口門區(qū)、連接段及彎道段航道的銜接等問題。

(2)狹窄連續(xù)彎道河段的樞紐平面布置應(yīng)結(jié)合具體的壩址自然條件和樞紐工程的作用進(jìn)行合理布置。對于上游為急彎、下游為反向彎道的狹窄連續(xù)彎道河段，樞紐布置應(yīng)遵循以下原則:①彎道段航線與船閘同岸布置最為有利，即當(dāng)船閘位于右岸側(cè)時，上游彎道段宜選取右線航道;當(dāng)船閘位于左岸側(cè)時，上游彎道段宜選取左線航道。②當(dāng)樞紐壩線位于下游彎道段時，宜采取將船閘布置于凸岸側(cè)的分散布置方式。

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